サーボドライブなどのアプリケーションでは、サイズと重量が非常に重要ですが、冷却能力には限界があります。 このため、ディスクリート CoolSiC™ MOSFET は、これらの要件を満たし、性能を向上させるための理想的なソリューションです。 損失の低減により、メンテナンス不要のファンレス設計の実装が可能になります。 さらに、モーターとドライブを統合できるため、制御盤のサイズが縮小され、配線が簡素化されます。
CoolSiC™ MOSFET サーボドライブで
CoolSiC™の影響を受けるアプリケーションのXNUMXつ モスフェット 性能はサーボドライブシステムであり、通常、産業用ロボットや自動化で使用されるような効率的でコンパクトなインバーターが特徴です。 導通およびスイッチング損失の低減は、加速、定速、および遮断モードを含むすべての動作モードで得られます。
CoolSiC™の使用 MOSFET サーボドライブには次の利点があります。
- サーボドライブの重要なパラメータである高加速とブレーキトルク
- ファンレスドライブソリューションによる高信頼性、低メンテナンス
サーボドライブのCoolSiC™MOSFETは、モーターとドライブの統合も可能にします。これは、次のことを意味します。
- 制御盤からのケーブルはXNUMX本だけです。これにより、接続が簡素化されてコストが削減され、ケーブルが少なくなり、ケーブルが複雑にならないため、システムの信頼性が向上します。
- 制御インバータキャビネットは必要ありません（または小さいキャビネットのみ）
サーボドライブアプリケーションは、通常、一定速度期間で低トルク、つまり低電流で90％以上動作します。 加速および遮断モードでは、ドライブは通常、はるかに高い電流範囲で動作します。 ここでは、動的損失をSiと比較して最大50％削減できます。 IGBT、低いスイッチング速度（5kV /μs）でも。
1200VディスクリートSi IGBT 対SiC モスフェット
既存Siに関して IGBT CoolSiC™ MOSFET には、さまざまなアプリケーションで最高のパフォーマンスを提供する多くの理由があります。 伝導損失に関しては、CoolSiC™ MOSFET は抵抗動作をするため、従来の MOSFET と比較して伝導損失が最大 80% 削減されます。 IGBT 低電流領域では。 サーボドライブは時間の 90% を超えて比較的低い電流で動作するため、これによりシステム全体の損失が大幅に削減されます。 パワーコンバータの 1200 V CoolSiC™ MOSFET は、Si と比較してはるかに低い動的損失を達成します IGBTs.
これは、単極構造によるものです。 モスフェット、スイッチングプロセス中に少数電荷キャリアは関与しません。 CoolSiC™ MOSFET のスイッチング損失は、IGBT のように温度によって増加することはありません。
波形の切り替え
さらに、CoolSiC™ モスフェット ダイオードを同梱する必要はありません。 フリーホイール ダイオードとして動作する内部ボディ ダイオードを使用します。 を使って モスフェット 内部ボディ ダイオードにより、シリコン同梱フリーホイーリング ダイオードと比較して Qrr が大幅に減少します。 Si IGBT の代わりに CoolSiC™ MOSFET を使用すると、ヒートシンクのサイズを 63% [2]、重量を最大 65% 削減できることが証明されています [3]。
図 1: Si のターンオン スイッチング動作 IGBT vs CoolSiC™ モスフェット 5 kV/μsで
冷却能力が制限され、効率が重要であるサーボモーターや産業用ロボットアームなどのアプリケーションでは、特にサイズ、重量、コンパクトな設計がシステム設計者にとって重要な優先事項である場合、CoolSiC™MOSFETを使用することには大きな利点があります。
モーターケーブルが長いとモーターに高いピーク電圧が発生し、モーター絶縁システムとモーターベアリングにストレスがかかります。 ドライブを保護するために、メーカーはスイッチング速度を 5 kV/μs 以下に抑えることがよくあります。 CoolSiC™の場合 モスフェット 低い dv/dt で駆動すると、スイッチング損失が増加します。 ただし、CoolSiC™ MOSFET 50 kV/μs の高速 IGBT と比較してスイッチング損失が 5% 以上低くなります。
図 2: ターンオフ スイッチング動作 IGBT vs CoolSiC™ MOSFET (5 kV/μs)7
さらに、CoolSiC™MOSFETは、温度に依存しないスイッチング損失を持ち、 電圧 電流の減少がよりスムーズになるため、オーバーシュートが発生します。 IGBT 切り替え 電圧 オーバーシュートが大きく、高温ではスイッチング速度が大幅に遅くなります (図 2 を参照)。 CoolSiC™ MOSFET は 60 kV/μs を超える速度でスイッチングでき、損失削減の可能性を最大限に引き出す方法があります。 これは、インバーター出力に dv/dt フィルターを実装することで実現できます。 このようにして、 半導体 は最大速度で切り替えることができ、フィルターはモーター巻線が高いdv / dtおよびピーク電圧でストレスを受けるのを防ぎます。 これはすでに高速ドライブに実装されています。 さまざまな研究で、dv / dtフィルターは、dv / dtフィルターをDCリンクの中間電位に接続することで実現できる改善されたフィルターソリューションで提示されています。 最小化されたdv / dtフィルターとともに強化された絶縁システムを備えた新しいモーターを使用することは、SiCスイッチの可能性を最大限に活用する方法です。 [5]
シミュレーションと実験的検証
CoolSiC™デバイスのパフォーマンスを確認し、さまざまな条件でのサーボドライブの動作を理解するために、シミュレーションスタディを実行し、実験テスト結果と比較しました。
実際のシステムのデバイスの接合部温度は測定が非常に難しく、通常はケース温度が検出されます。 接合部温度をより正確に推定するには、シミュレーションをお勧めします。
最終的に、提案した CoolSiC™ MOSFET ディスクリート ソリューションの性能を高速回路と比較して確認します。 IGBT ソリューション、に基づくシミュレーション モデル 3相 B6 トポロジーは、接合部 Tj の性能とそれに対応するインバーターの損失を推定するために開発されました。
図3の結果は、5 kV /μsでも、強く減速されたCoolSiC™MOSFETは、高速IGBTと比較して、接合部温度（Tj）の損失が最大60％低く、温度上昇が38％低いことを示しています。 これは、図1および2に示すように、ボディダイオードには逆回復電荷（Qrr）がない（または非常に低い）ため、CoolSiC™MOSFETにはテール電流がないためです。
図3：定速および加速/ブレーキモードの3kV /μs（dv / dt）スイッチング速度での6.5kWシステムのCoolSiC™MOSFETと高速5IGBTの熱および損失の比較
新しい規制[5]は、高速ドライブのスイッチング速度を8kHzのスイッチング周波数で最大16kV /μsまで上げることができることを示しています。 IGBTと比較してCoolSiC™MOSFETのオーバーシュートがはるかに低いため、場合によってはさらに高いCoolSiC™を実行することが可能です。 サーボドライブアプリケーションは通常、長いケーブルを使用しないため、より高速なスイッチングも可能です。
CoolSiC™MOSFETを（8 kV /μsではなく）5 kV /μsで駆動すると、高速64と比較して、Tjの損失が最大47％低くなり、温度上昇が最大3％低くなる可能性があります。図4に示すIGBT。
図4：定速および加速/ブレーキモードの3kV /μs（dv / dt）スイッチング速度での6.5kWシステムのCoolSiC™MOSFETと高速8IGBTの熱および損失の比較。
まとめ
テスト結果とシミュレーション検証により、サーボドライブでCoolSiC™MOSFETを使用すると、低いスイッチング速度（64〜47kV /μs）で5％の損失が減少し、8％低い温度上昇が得られることが確認されています。
図5：サーボドライブソリューションのさまざまなターゲット要件に対するRDS（on）の選択例と、テスト条件を使用したモーターテストのセットアップ
60mΩのCoolSiC™MOSFETを使用してサーボドライブアプリケーションで40AのIGBTを置き換えることにより、ヒートシンクとdv / dtの要件を維持しながら合計 半導体 同様の最大接合部温度では、損失はほぼ半分に減少します。
CoolSiCの損失削減により、システムを改善するための新しい柔軟性が提供されます。
- 出力電流、Tj、冷却努力、およびRDS（on）選択の間のトレードオフ
- CoolSiC™MOSFETの低いΔTjにより、パッシブ冷却が可能になります
参照：
[1] Fanny Björk 博士、Zhihui Yuan Infineon Technologies AG 博士、オーストリア。 CoolSiC™ SiC MOSFET: ブリッジ トポロジ向けのソリューション 3相 電力変換 2019
[2] Sahan Benjamin、Brodt Anastasia Infineon Technologies AG、ドイツ。 1200V SiCT-MOSFETによる可変速ドライブの電力密度と効率の向上。 PCIM Europe 2017、16年18月2017〜XNUMX日、ドイツ、ニュルンベルク
[3] Tiefu Zhao、Jun Wang、Alex Q. Huang、SiCMOSFETとSiIGBTベースのモータードライブシステムの比較2007
[4] S. Tiwari、OM Midtgard、TMUndeland。 将来のモータードライブアプリケーション向けのSiCMOSFET 2016
[5] K. Vogel、A. Brodt、A. Rossa 「AC ドライブの効率の向上: New 半導体 ソリューションとその課題」、EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/evaluation-boards/eval-m5-imz120r-sic/
この記事は、もともとBodoのPowerSystems誌に掲載されました。